清華大學(xué)電子工程系教授王生進(jìn)腦電識(shí)別與腦機(jī)交互

腦機(jī)交互是人機(jī)交互的重要方向。從世界范圍內(nèi)來說，關(guān)于人腦和類腦的研究已經(jīng)引起了高度重視，《科學(xué)》雜志2013年時(shí)提出了6個(gè)值得關(guān)注的科學(xué)領(lǐng)域，人腦連接組計(jì)劃就是其中之一。歐盟也已啟動(dòng)人腦工程項(xiàng)目，歐盟在2013年的時(shí)宣布“未來和新興技術(shù)（FET）旗艦項(xiàng)目”的競賽結(jié)果，石墨烯和人腦工程從21個(gè)候選項(xiàng)目中最終勝出，將在今后十年中各獲得10億歐元的科研資助。

腦功能的研究手段和目的

從目前的研究情況來看。腦功能的研究手段可分為以下幾類：一是侵入式，就是把電極植入到腦內(nèi)，來形成皮質(zhì)腦電圖（ECoG）；二是非侵入式，這種侵入式需要很龐大的設(shè)備，比如說MEG（腦磁信號(hào)）設(shè)備，這個(gè)設(shè)備體量是非常大的；還有一種非侵入式，就是利用腦電信號(hào)——EEG，EEG信號(hào)的特點(diǎn)是設(shè)備非常小，可以做成一個(gè)便攜式裝置，甚至非常便宜，實(shí)用性很好。它應(yīng)該是未來腦機(jī)交互的一個(gè)應(yīng)用的趨勢，它的工作原理主要是視覺驅(qū)動(dòng)電勢，通常叫VEP和ERP。

從研究目的來看，也分為三大類：第一類是疾病的診斷和診治；第二類是感知認(rèn)知，即人工智能的研究；第三類是腦機(jī)交互的研究，就是人不用通過手，也不用通過語言，只通過大腦的想象來和機(jī)器進(jìn)行交互。腦電信號(hào)直接反映人腦活動(dòng)和認(rèn)知特性，可以做情緒、疾病的監(jiān)測和腦機(jī)交互。在應(yīng)用領(lǐng)域和前景上也是非常廣闊的，比如在人工智能領(lǐng)域，它可以探索人腦活動(dòng)和認(rèn)知規(guī)律，在腦機(jī)交互上也可以幫助殘疾人來控制輪椅等設(shè)備。在情緒監(jiān)測上可以感知工作狀態(tài)、壓力和焦慮等。

腦電信號(hào)存在的問題

腦電信號(hào)應(yīng)用的前景廣闊，但也存在很多問題，主要有以下幾點(diǎn)：一是腦電信號(hào)的識(shí)別性能非常低。一般而言，腦電信號(hào)信噪比是非常低的，因此它的準(zhǔn)確率和它的計(jì)算復(fù)雜度都難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求；二是針對腦電信號(hào)多通道、強(qiáng)噪聲特點(diǎn)的有效降噪方法和分類理論尚不完善；三是從理論上解決通道鑒別性分析的現(xiàn)有分類模型和相關(guān)通道選擇問題的思路尚不十分有效；四是現(xiàn)有腦機(jī)接口系統(tǒng)模式單一（范式還比較單一）。

科學(xué)問題和亟需要突破的技術(shù)，我們提出三項(xiàng)需要解決的科學(xué)問題：第一，在研究當(dāng)中需要發(fā)現(xiàn)新的視覺驅(qū)動(dòng)與腦電信號(hào)的相關(guān)性，即低信噪比腦電信號(hào)下的高準(zhǔn)確識(shí)別理論；第二，尋找和探索更有效的基于思維的腦機(jī)交互范式；第三，采用腦電的信號(hào)處理和腦機(jī)交互的方式探索基于人的視覺感知機(jī)理的計(jì)算機(jī)型。

對于這三個(gè)科學(xué)問題需要解決的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為：低信噪比腦電信號(hào)高準(zhǔn)確率識(shí)別方法；面向多種范式的思維腦控技術(shù)；基于腦電信號(hào)的有效視覺特性分析。

國內(nèi)外的研究情況

一直以來，美國在這方面的研究處于領(lǐng)先地位。美國發(fā)展了基于腦電波識(shí)別和認(rèn)知算法的戰(zhàn)場威脅探測技術(shù)，DARPA開發(fā)了CT2WS系統(tǒng)，利用腦電波的圖像篩選戰(zhàn)場目標(biāo)檢測圖片。通過鏈接人類腦電波、改進(jìn)的傳感器和認(rèn)知算法，來提升戰(zhàn)場上戰(zhàn)士們的目標(biāo)探測能力，使得戰(zhàn)場防區(qū)外威脅探測工作的傷亡可以降低。哈佛大學(xué)實(shí)現(xiàn)了利用腦電波控制老鼠的運(yùn)動(dòng)。這樣做的目的是為了能夠利用這種原理使癱瘓的病人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)技能，使截肢的人能夠更好地控制假肢。

在國內(nèi)，研究人員聚焦的是干電極式腦電信號(hào)以及腦機(jī)交互的研究。通過建立研究室，收集了很多的腦電信號(hào)。在這個(gè)領(lǐng)域，首要解決的問題就是低信噪比問題，因?yàn)槟X電信號(hào)信噪非常差，如何通過降噪預(yù)處理，把噪聲抑制掉，將真正的腦電信號(hào)提取出來是關(guān)鍵課題；其次，不論是電極帽，還是干電極，都有很多通道。哪些通道有效?哪些通道有反作用？需要人們?nèi)チ私馇宄?。我們利用識(shí)別方法去進(jìn)行腦機(jī)交互。通過利用P300的范式進(jìn)行腦機(jī)交互的打字，P300的范式是偶然發(fā)生的一個(gè)視覺事件，在300毫秒以后能夠產(chǎn)生一個(gè)特殊的腦電信號(hào)范式。利用這種范式就可以做一些工作，比如它可以顯示很多的字母，當(dāng)你看到要打的字母亮起來的時(shí)候，你的腦電信號(hào)是有差別的，通過這樣的方式可以打出字。

腦電信號(hào)分析是腦機(jī)交互的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，它可以提供一種直接的人機(jī)交互方式，這一方式是依靠人的腦波信號(hào)，把它識(shí)別翻譯成對機(jī)器的指令，腦電識(shí)別和腦機(jī)交互將會(huì)對人機(jī)交互方式產(chǎn)生革命性的影響。腦電信號(hào)分析是人工智能研究的一個(gè)重要部分，通過腦電識(shí)別，人們可以探索人腦，發(fā)現(xiàn)感知認(rèn)知機(jī)理，解明邏輯推理過程，提供有效的人工智能研究手段和技術(shù)途徑。

（本文整理自清華大學(xué)電子工程系王生進(jìn)教授在“清華人工智能”論壇上的演講，未經(jīng)本人確認(rèn)）